Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm REEF BALLtm trên thềm đảo nổi xa bờ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:161

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm REEF BALLtm trên thềm đảo nổi xa bờ" là làm rõ hơn bản chất của các tham số chi phối tới hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef Ball TM trên thềm đảo nổi; Xác định được phạm vi bố trí phù hợp cho kết cấu ngầm trên thềm đảo nổi; Xây dựng được công thức thực nghiệm để xác định hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef Ball TM trên thềm đảo nổi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm REEF BALLtm trên thềm đảo nổi xa bờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM THỊ THÚY NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU NGẦM REEF BALLTM TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM THỊ THÚY NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU NGẦM REEF BALLTM TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình biển Mã số: 958 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS LÊ HẢI TRUNG 2. PGS.TS TRẦN THANH TÙNG HÀ NỘI, NĂM 2023
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Phạm Thị Thúy i
LỜI CÁM ƠN Tác giả xin trân trọng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS. TS Lê Hải Trung, PGS. TS Trần Thanh Tùng và GS.TS Thiều Quang Tuấn về định hướng khoa học cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất cho NCS trong suốt quá trình thực hiện Luận án. Tác giả xin được trân trọng cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, phòng Đào tạo, phòng Thí nghiệm thủy lực tổng hợp, Bộ môn Công trình biển và đường thủy, khoa Công trình đã hỗ trợ, tạo điều kiện làm việc tốt nhất cho tác giả trong quá trình nghiên cứu. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Nhiệt Thủy khí, Khoa Cơ khí, Học viện Kỹ thuật Quân sự; Ban chủ nhiệm và các thành viên đề tài Độc lập cấp Quốc gia ĐLCN.19/15 “Nghiên cứu giải pháp tôn tạo và chống xói lở đảo nổi thuộc QĐTS” đã giúp đỡ NCS để có thể hoàn thành nhiệm vụ này. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình về sự giúp đỡ quý giá và luôn đồng hành cùng tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành Luận án của mình. ii
MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ................................................ix MỞ ĐẦU …….. ..............................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài...........................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................4 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ..............................................................4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................5 6. Cấu trúc luận án. ......................................................................................................5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẢO NỔI XA BỜ, KẾT CẤU NGẦM REEF BALL VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU NGẦM ...............................6 TM 1.1. Đảo nổi xa bờ .....................................................................................................6 1.1.1 Khái niệm về đảo nổi xa bờ ........................................................................6 1.1.2 Cấu tạo địa hình của đảo nổi .......................................................................7 1.1.3 Đặc điểm thềm đảo nổi .............................................................................11 1.1.4 Chế độ thủy hải văn khu vực đảo nổi ........................................................12 1.1.5 Chế độ thủy động lực sóng trên đảo nổi ...................................................17 1.2 Kết cấu ngầm Reef BallTM ...............................................................................22 1.2.1 Khái niệm kết cấu ngầm Reef BallTM .......................................................22 1.2.2 Chức năng và cấu tạo kết cấu ngầm Reef BallTM......................................22 1.2.3 Ứng dụng Reef BallTM trên thế giới ..........................................................24 1.3 Hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm ............................................................27 1.3.1 Một số khái niệm .......................................................................................27 1.3.2 Các phương pháp nghiên cứu hiệu quả giảm sóng ...................................28 1.3.3 Các tham số ảnh hưởng đến hiệu quả giảm sóng ......................................29 1.3.4 Công thức thực nghiệm về hiệu quả giảm sóng ........................................31 1.4 Kết luận chương 1 ............................................................................................37 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU NGẦM REEF BALLTM TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ ……….. ............................................................................................................39 2.1 Độ rỗng của kết cấu .........................................................................................39 2.2 Quá trình truyền sóng qua kết cấu ngầm rỗng .................................................41 iii
2.2.1 Tương tác giữa sóng và kết cấu ngầm rỗng ..............................................41 2.2.2 Sự cân bằng năng lượng truyền sóng qua kết cấu rỗng ............................42 2.2.3 Sự truyền sóng qua kết cấu rỗng ...............................................................44 2.3 Thiết lập phương trình tổng quát về hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm ...46 2.4 Lựa chọn tỉ lệ mô hình vật lý ...........................................................................49 2.4.1 Cơ sở lý thuyết về tương tự .......................................................................49 2.4.2 Điều kiện nguyên hình và năng lực thí nghiệm ........................................51 2.4.3 Lựa chọn tỉ lệ mô hình: .............................................................................52 2.5 Bố trí Reef BallTM trong mô hình thí nghiệm ..................................................56 2.5.1 Chế tạo cấu kiện Reef BallTM ....................................................................56 2.5.2 Các phương án bố trí không gian Reef BallTM ..........................................57 2.5.3 Độ rỗng khối của các phương án bố trí Reef BallTM .................................58 2.6 Thiết lập thí nghiệm giảm sóng của kết cấu ngầm ..........................................60 2.6.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm ..............................................................................60 2.6.2 Các yếu tố đo đạc, tính toán ......................................................................61 2.6.3 Kịch bản thí nghiệm ..................................................................................63 2.6.4 Trình tự thí nghiệm ...................................................................................64 2.7 Kết luận chương 2 ............................................................................................66 CHƯƠNG 3 HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU NGẦM REEF BALLTM TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ .................................................................................68 3.1 Đặc tính của sóng nước nông trên thềm đảo nổi .............................................68 3.1.1 Sự truyền sóng trên thềm đảo nổi .............................................................68 3.1.2 Đặc tính của sóng nước nông ....................................................................70 3.2 Các tham số ảnh hưởng tới hệ số truyền sóng .................................................74 3.2.1 Bề rộng đỉnh kết cấu ngầm........................................................................74 3.2.2 Độ ngập đỉnh kết cấu ngầm .......................................................................77 3.2.3 Độ dốc sóng ...............................................................................................79 3.2.4 Bề rộng đỉnh kết cấu ngầm có xét tới độ thấm của môi trường rỗng........81 3.3 Xây dựng công thức thực nghiệm ....................................................................88 3.3.1 Lựa chọn dạng công thức ..........................................................................88 3.3.2 Công thức không tích hợp độ thấm ...........................................................89 3.3.3 Công thức khi tích hợp độ thấm ................................................................91 3.3.4 Phạm vi ứng dụng của công thức ..............................................................94 iv
3.4 Kiểm định công thức .........................................................................................95 3.4.1 Mô hình thí nghiệm bể sóng......................................................................95 3.4.2 Kiểm định công thức thực nghiệm ............................................................97 3.5 Kết luận chương 3 ..........................................................................................100 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BỐ TRÍ KHÔNG GIAN KẾT CẤU NGẦM CHO ĐẢO NỔI XA BỜ ................................................................................102 4.1 Lựa chọn địa điểm áp dụng ............................................................................102 4.2 Điều kiện biên ................................................................................................104 4.2.1 Cấp công trình .........................................................................................104 4.2.2 Điều kiện biên phục vụ thiết kế công năng .............................................104 4.2.3 Điều kiện biên phục vụ kiểm tra ổn định ................................................105 4.3 Tính toán các tham số bố trí không gian ........................................................106 4.3.1 Phạm vi bố trí kết cấu ngầm giảm sóng ..................................................107 4.3.2 Cao trình đỉnh và chiều cao kết cấu ngầm ..............................................109 4.3.3 Bề rộng kết cấu ngầm ..............................................................................109 4.3.4 Chiều dài và khoảng cách giữa các đoạn kết cấu ngầm ..........................111 4.3.5 Tổ hợp các phương án chọn ....................................................................112 4.4 Kiểm tra ổn định của kết cấu ngầm ...............................................................114 4.5 Kết luận chương 4 ..........................................................................................118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................119 I. Kết quả đạt được của luận án ...............................................................................119 II. Những đóng góp mới của luận án .......................................................................121 III. Tồn tại và hướng phát triển ...............................................................................121 IV. Kiến nghị ...........................................................................................................121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...................................................122 PHỤ LỤC …….. .........................................................................................................123 Phụ lục 1. Cơ sở toán học cho hồi quy phi tuyến ................................................123 Phụ lục 2a. Tổng hợp 200 kịch bản thí nghiệm với độ rỗng khối n = 0.88 .........126 Phụ lục 2b. Tổng hợp 200 kịch bản thí nghiệm với độ rỗng khối n = 0.91 ........130 Phụ lục 2c. Tổng hợp 200 kịch bản thí nghiệm với độ rỗng khối n = 0.94 .........134 Phụ lục 3. Giấy xác nhận thực hiện đề tài ...........................................................138 Phụ lục 4. Các kịch bản thí nghiệm trên bể sóng ...............................................141 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 0.1 Bờ đảo nổi trước và sau khi xây dựng kè .........................................................1 Hình 1.1 Các rạn san hô biển [1] .....................................................................................6 Hình 1.2 Địa hình đặc trưng của đảo nổi (nguồn google earth) .....................................7 Hình 1.3 Mặt cắt ngang một số đảo nổi.........................................................................10 Hình 1.4 Trích đoạn mặt cắt ngang gần mặt nước của một số đảo nổi xa bờ ...............10 Hình 1.5 Hoa sóng 12 tháng trong năm trạm Trường Sa (2004-2015) [4] ...................14 Hình 1.6 Liên hệ giữa chiều cao và chu kì sóng đỉnh phổ [4].......................................15 Hình 1.7 Vị trí các điểm số liệu sóng trên biển Đông[5] ..............................................16 Hình 1.8 Tên, hình dạng các khối RB tiêu chuẩn [40] ..................................................23 Hình 1.9 Reef Ball là nơi trú ngụ và phát triển của san hô ...........................................24 Hình 1.10 Bản đồ các nước và khu vực trên thế giới sử dụng rạn ngầm RB [41] ........25 Hình 1.11 Bản đồ các nước khu vực Châu Á sử dụng rạn ngầm RB [41] ....................25 Hình 1.12 Kết cấu Reef Ball được lắp đặt trên quần đảo Seychelles [11]. ...................26 Hình 1.13 Sơ đồ tính hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm ........................................27 Hình 1.14 Hệ số truyền sóng qua đê đỉnh hẹp theo Van de Meer (1991) [62]..............32 Hình 1.15 Sơ đồ bố trí đê theo Van der Meer (2005) [35] ............................................33 Hình 1.16 Sơ đồ bố trí đê ngầm theo Armono và Hall [62] .........................................33 Hình 2.1 Cấu kiện Reef BallTM và độ rỗng bề mặt của cấu kiện RB ............................39 Hình 2.2 Một số cách sắp xếp khối Reef BallTM ...........................................................40 Hình 2.3 Cơ chế suy giảm sóng qua KCN Reef BallTM ................................................41 Hình 2.4 Sơ họa mặt cắt ngang của mô hình thí nghiệm trong máng sóng ..................52 Hình 2.5 Mặt cắt ngang bãi biển và các tham số đặc trưng [35] ...................................54 Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm lựa chọn tỉ lệ mô hình ...............................................55 Hình 2.7 Kết cấu ngầm từ khối Reef Ball và các tham số của khối ..............................57 Hình 2.8 Mặt bằng một số phương án sắp xếp kết cấu ngầm RB .................................58 Hình 2.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm ...................................................................................61 Hình 2.10 Một số hình ảnh quá trình làm thí nghiệm ...................................................66 Hình 3.1 Sóng vỡ trên đỉnh vách dốc đứng ...................................................................69 Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo sóng truyền trên thềm đảo ...................................69 Hình 3.3 Hệ số truyền sóng trên thềm theo khoảng cách trên thềm với các kịch bản ..70 Hình 3.4 Đồ thị chiều cao Hmo và chu kỳ sóng nước nông Tm-1,0 trước công trình .......71 Hình 3.5 Phổ năng lượng sóng đo đạc ứng với kịch bản dH10T170 ............................72 Hình 3.6 Phổ năng lượng sóng nước nông trên thềm đảo nổi xa bờ .............................73 Hình 3.7 Các phương án bề rộng đỉnh KCN sử dụng trong thí nghiệm........................75 Hình 3.8 Tương quan của bề rộng kết cấu ngầm và hệ số truyền sóng Kt ....................76 Hình 3.9 Các phương án độ ngập đỉnh kết cấu ngầm ...................................................78 Hình 3.10 Tương quan độ ngập tương đối và hệ số truyền sóng Kt ..............................78 Hình 3.11 Tương quan độ dốc sóng tượng trưng Som và hệ số truyền sóng Kt với các bề rộng đỉnh B khác nhau .................................................................................80 vi
Hình 3.12 Ảnh hưởng của bề rộng khi không và có tích hợp độ thấm (Rc=0cm) .........83 Hình 3.13 Ảnh hưởng của bề rộng khi không và có tích hợp độ thấm (Rc=2.5cm)......84 Hình 3.14 Ảnh hưởng của bề rộng khi không và có tích hợp độ thấm (Rc=5.0cm)......85 Hình 3.15 Ảnh hưởng của bề rộng khi không và có tích hợp độ thấm (Rc=7.5cm)......86 Hình 3.16 Ảnh hưởng của bề rộng khi không và có tích hợp độ thấm (Rc=10cm).......87 Hình 3.17 Đồ thị mức độ tin cậy của công thức Kt,1 .....................................................89 Hình 3.18 Đồ thị mức độ tin cậy của công thức Kt,2 ....................................................90 Hình 3.19 Đồ thị kết quả độ tin cậy của công thức Kt,3 ................................................92 Hình 3.20 Đồ thị kết quả độ tin cậy của công thức Kt,4 ................................................93 Hình 3.21 Địa hình mô hình bể sóng tại Phòng thí nghiệm ..........................................95 Hình 3.22 Các phương án mực nước thí nghiệm trong mô hình bể sóng .....................96 Hình 3.23 Sơ đồ bố trí không gian KCN trên bể sóng [90]...........................................96 Hình 3.24 Đồ thị kết quả kiểm định độ tin cậy của công thức (3-10) ...........................98 Hình 3.25 Đồ thị kết quả kiểm định độ tin cậy của công thức khi giới hạn bề rộng ....99 Hình 3.26 Đồ thị kết quả kiểm định độ tin cậy của công thức khi giới hạn độ ngập đỉnh .......................................................................................................................................99 Hình 4.1 Các bãi cát hình thành trên đảo nổi lựa chọn ...............................................103 Hình 4.2 Tổng hợp một số mặt cắt ngang bãi đảo mặt Đông Bắc.....................................108 Hình 4.3 Chiều rộng đỉnh kết cấu ngầm B theo độ ngập Rc .............................................110 Hình 4.4 Sơ đồ bố trí mặt bằng giải pháp kết cấu ngầm giảm sóng .....................113 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Hệ số mái của sườn đảo tại một số đảo nổi trên biển Đông ............................9 Bảng 1.2 Bề rộng thềm đảo tại một số đảo trên QĐTS .................................................11 Bảng 1.3 Tính toán đặc trưng sóng khí hậu theo hướng tại Trường Sa [4]...................15 Bảng 1.4 Các thông số sóng thiết kế của Vietso Petro [5] ............................................16 Bảng 1.5 Tính toán đặc trưng sóng cực trị theo tháng tại Trường Sa [4]......................17 Bảng 1.6 Loại Reef Ball và kích thước tiêu chuẩn của Reef Ball [41] .........................23 Bảng 1.7 Bảng tổng hợp các công thức thực nghiệm, các tham số ảnh hưởng và phạm vi ứng dụng ....................................................................................................................36 Bảng 2.1 Ma trận thứ nguyên ........................................................................................47 Bảng 2.2 Bảng phân tích thứ nguyên các tham số ........................................................47 Bảng 2.3 Bảng tính toán chiều cao sóng tối đa trên thềm đảo theo công thức (2-27) ..53 Bảng 2.4 Phân loại độ sâu bờ biển theo tỉ số độ sâu mực nước và chiều cao sóng [35] .......................................................................................................................................54 Bảng 2.5 So sánh các tham số để lựa chọn tỉ lệ mô hình ..............................................56 Bảng 2.6 Bảng tính độ rỗng công trình xếp thẳng hàng ................................................59 Bảng 2.7 Bảng tính độ rỗng công trình xếp so le ..........................................................60 Bảng 2.8 Bảng tính độ rỗng và độ đặc KCN theo các phương án thí nghiệm ..............60 Bảng 2.9 Chương trình thí nghiệm ................................................................................64 Bảng 2.10 Kế hoạch và trình tự thí nghiệm...................................................................64 Bảng 3.1 Kết quả đo đạc và tính toán các tham số trên mô hình bể sóng .....................97 Bảng 4.1 Đặc trưng mực nước, sóng phục vụ bố trí không gian giải pháp [4] ...........105 Bảng 4.2 Đặc trưng mực nước, sóng phục vụ kiểm tra ổn định của kết cấu [4] .........106 Bảng 4.3 Bảng tính toán bề rộng kết cấu ngầm...........................................................110 Bảng 4.4 Tổng hợp các tham số thiết phục vụ bố trí không gian giải pháp ................111 Bảng 4.5 Tổng hợp các tham số bố trí mặt bằng công trình ..................................112 Bảng 4.6 Bảng tính toán kiểm tra ổn định cho khối Reef Ball TM .........................116 viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ 1. Danh mục các từ viết tắt a gia tốc phần tử nước theo phương ngang p diện tích mặt phẳng vuông góc với dòng chảy  bề rộng đỉnh kết cấu ngầm Bthềm bề rộng thềm đảo BG2000 dạng phân bố chiều cao sóng nước nông Rayleigh - Weibull tổng hợp CD hệ số lực kéo do sóng CM hệ số lực quán tính d độ sâu nước D đường kính danh nghĩa của vật liệu ĐTB điều tra biển i   năng lượng sóng tới l   tổn thất năng lượng r  năng lượng sóng phản xạ t  năng lượng sóng truyền qua Fđ lực đẩy nổi của nước Fn lực nâng Fkéo lực kéo do sóng Fquán tính lực quán tính Fr số Froude Fw lực đẩy theo phương ngang do sóng gây ra; Fm lực ma sát giữa vật thể Reef ball và đáy biển. Fs hệ số an toàn ổn định của cấu kiện Reef ball. P% tần suất g gia tốc trọng trường G khoảng hở giữa các đoạn đê h chiều cao của kết cấu HD chiều cao sóng thiết kế Hi chiều cao sóng đến trung bình Hr chiều cao sóng phản xạ trung bình Ht chiều cao sóng truyền trung bình Hm0,i chiều cao mô men sóng tới Hm0,r chiều cao mô men sóng phản xạ Hm0,t chiều cao mô men sóng truyền HS chiều cao sóng ý nghĩa IG Sóng ngoại trọng lực, sóng dài KCN kết cấu ngầm k số sóng ix
ED phần năng lượng bị tiêu tán qua kết cấu Kr hệ số phản xạ Kt hệ số truyền sóng Kt, KĐ hệ số truyền sóng theo phương án kiểm định Lm-1,0 bước sóng nước nông Lp bước sóng tương ứng với chu kỳ đỉnh sóng, Tp Ls chiều dài đê ngầm Lg khoảng cách giữa hai kết cấu đê mo mô men phổ sóng bậc 0 m khối lượng của Reef Ball n độ rỗng khối của kết cấu ngầm QĐTS Quần đảo Trường Sa Pf độ thấm của môi trường rỗng R bán kính của khối rỗng RB Reef BallTM Rc độ ngập của đỉnh kết cấu ngầm so với mực nước Re số Reynolds s(f) mật độ phổ sóng Som độ dốc sóng tượng trưng khu vực nước nông trên thềm SS Sóng ngắn TD chu kỳ sóng thiết kế Tm chu kỳ sóng nước nông trên thềm Tp chu kỳ đỉnh sóng nước sâu Ts chu kỳ sóng ý nghĩa t thời gian U vận tốc theo phương ngang X khoảng cách giữa các đầu đo sóng Xi khoảng cách ngang từ trục đo V thể tích vật thể  trọng lượng riêng của nước  góc lệch pha  hệ số tăng cường đỉnh phổ cho phổ JONSWAP 1 giới hạn độ dốc mặt sóng ở nước sâu 2 giới hạn độ cao sóng khi độ sâu nước hạn chế  hiệu quả giảm sóng 0p số Iribarren. x
2. Các thuật ngữ “Đảo nổi” là rạn san hô xa bờ mà có một phần diện tích luôn nổi cao trên mặt nước kể cả khi thủy triều cao nhất. “Kết cấu ngầm Reef BallTM” là chỉ một hệ thống được cấu tạo từ các khối bê tông rỗng Reef BallTM được bố trí trên không gian với mục đích giảm sóng, gây bồi và phục hồi sinh thái, có đỉnh luôn bằng hoặc thấp hơn mực nước trung bình (Rc0). “Độ ngập” hay chiều cao lưu không là khoảng cách từ đỉnh kết cấu ngầm đến mực nước. “Hệ số truyền sóng” là tỷ số giữa chiều cao sóng phía sau so với chiều cao sóng đến trước công trình. xi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam không chỉ có bờ biển dài hàng ngàn kilomet mà còn có hàng ngàn đảo lớn nhỏ nằm giữa biển Đông. Các đảo nổi là những địa hệ tự nhiên mang tính đa dạng, nhạy cảm cao, luôn luôn biến đổi và là nơi chịu tác động nhiều nhất của các yếu tố động lực biển cũng như các thiên tai. Hơn nữa, hệ thống đảo là những thực thể địa lý khẳng định chủ quyền của nước ta trên biển Đông nên việc bảo vệ đảo có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Các đảo nổi xa bờ do nằm giữa trùng khơi, trên vùng biển hở, có địa hình rất khác biệt. Các đảo nổi thường có vách dốc đứng với đáy chuyển gấp từ vùng nước sâu với độ sâu vài trăm mét đến rất nông chỉ khoảng một vài mét trên thềm đảo. Tiếp nối đó là một thềm san hô phẳng với diện tích khá rộng kéo dài vào lõi đảo. Khác với đảo chìm, đảo nổi có một phần diện tích luôn nổi lên trên mặt nước kể cả khi thủy triều lớn nhất. Phần lõi đảo này có diện tích rất nhỏ nhưng lại luôn có nguy cơ bị bào mòn do phải chịu tác động rất khốc liệt của các hiện tượng xói lở tự nhiên. Để bảo vệ đảo, trong những năm qua, hệ thống kè chống xói lở đã từng bước được xây dựng. Hệ thống công trình này về cơ bản đã đáp ứng được những yêu cầu của nhiệm vụ bảo vệ, chống xói lở bờ đảo, kết hợp giao thông hào, hệ thống công sự chiến đấu, đường tuần tra quanh đảo, có tác dụng giữ nước mưa, ngọt hóa đảo, góp phần cải thiện môi trường đảo. Hình 0.1 Bờ đảo nổi trước và sau khi xây dựng kè 1
Tuy nhiên, quá trình xói lở vẫn diễn biến hết sức phức tạp cả về quy mô lẫn cường độ. Tác động của biến đổi khí hậu (BĐKH) làm cho các hiện tượng thời tiết cực đoan xảy ra càng nhiều và trái với quy luật bình thường. Biến đổi khí hậu còn làm mực nước biển dâng cao, sóng truyền lên đảo lớn hơn gây xói lở lõi đảo, làm giảm diện tích sinh hoạt, ảnh hưởng tới đời sống của bộ đội trên đảo. Do vậy rất cần có giải pháp giảm sóng, chống xói lở bờ đảo và trên thềm đảo. Một hiện tượng khác xảy ra ở hầu hết các đảo đó là sự xuất hiện của những doi cát khá lớn được hình thành phía ngoài mép đảo do quá trình bồi tụ tự nhiên. Những doi cát như vậy không hoàn toàn cố định mà sẽ di chuyển xung quanh lõi đảo theo chế độ gió mùa. Thực tế cho thấy cần có giải pháp thúc đẩy quá trình bồi tụ tự nhiên, giữ lại tối đa lượng cát mới phát sinh ở những vị trí phù hợp, từng bước bồi đắp mở rộng bền vững đảo. Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn trên, cho thấy cần phải có các giải pháp kỹ thuật để bảo vệ các đảo nổi. Giải pháp này phải có khả năng giảm sóng, giúp gây bồi, giữ lại bùn cát tự nhiên, khôi phục hệ sinh thái đảo. Đồng thời, giải pháp kỹ thuật được lựa chọn phải phù hợp với các điều kiện tác chiến, phòng thủ trên đảo. Công trình cũng không được thường xuyên nổi lên trên mặt nước và được bố trí xa bờ một khoảng phù hợp để trước mắt có lợi cho nhiệm vụ sẵn sàng chiến đấu, về lâu dài khi phần bãi mới hình thành sẽ gắn liền với bờ, bãi đảo hiện có để tạo mặt bằng liên tục, có thể sử dụng được ngay phần diện tích mở rộng thêm. Do đó, để phù hợp với các yêu cầu về mặt kỹ thuật cũng như chiến thuật trên các đảo nổi thì giải pháp phù hợp và khả thi nhất đó là kết cấu ngầm đặt xa bờ. Với giải pháp lựa chọn, khi áp dụng cho các đảo nổi xa bờ, dạng kết cấu sử dụng phải đảm bảo một số yêu cầu cụ thể như: - Thân thiện với môi trường, có thể tạo độ rỗng chủ động giúp san hô và các sinh vật biển có không gian để tồn tại, sinh trưởng và phát triển giúp cải thiện môi trường sinh thái khu vực đảo; - Linh động, dễ thay đổi: trong trường hợp sau khi lắp đặt nếu phản ứng của môi trường quá mạnh, không thích ứng với sự thay đổi do giải pháp tạo ra thì cần phải tháo dỡ, khôi phục lại trạng thái ban đầu; ngược lại khi môi trường thiên nhiên 2
phản ứng tích cực với giải pháp thì có thể tiếp tục áp dụng để giảm sóng, mở rộng đảo hơn nữa; - Thi công đơn giản, kích thước và khối lượng không quá lớn do lắp đặt trên các đảo nổi xa bờ, việc vận chuyển vật liệu, thiết bị từ đất liền ra đảo là vô cùng khó khăn tốn kém, năng lực thiết bị thi công trên đảo còn thô sơ; - Có độ bền chắc, không bị rách, bị thủng do cát san hô có kích thước lớn và độ sắc nhọn. Từ các yêu cầu trên, giải pháp lựa chọn là sử dụng kết cấu ngầm có cấu tạo từ hệ thống các khối bê tông rỗng Reef BallTM gọi chung là “kết cấu ngầm Reef BallTM”. Có thể thấy, nghiên cứu hiệu quả giảm sóng hay sóng truyền qua công trình bảo vệ bờ biển nói chung là một vấn đề đã được nghiên cứu nhiều và cũng đã đạt được nhiều thành tựu trong những thập kỷ gần đây. Tuy nhiên, sóng truyền qua công trình có kết cấu rỗng trên thềm đảo nổi với những đặc trưng thủy động lực sóng có tính đặc thù là một vấn đề nghiên cứu mới. Cùng với đó, kết cấu ngầm giảm sóng xa bờ sử dụng hệ thống các khối rỗng Reef BallTM đặt trên thềm đảo nổi cũng là một đề xuất mới cần được nghiên cứu đánh giá khả năng áp dụng. Quá trình truyền và giảm sóng qua kết cấu ngầm rỗng đặt trên thềm đảo nổi là nội dung nghiên cứu có tính khoa học và thực tiễn. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần bổ sung luận cứ khoa học cho các nghiên cứu về biển đảo; làm cơ sở cho thiết kế, xây dựng các giải pháp công trình giảm sóng, gây bồi, tạo bãi và khôi phục lại hệ sinh thái trên các đảo nổi san hô xa bờ; nâng cao độ tin cậy trong các nghiên cứu về biển đảo trong điều kiện các đảo nổi ở xa bờ việc đi lại, khảo sát, đo đạc còn rất nhiều khó khăn. Với ý nghĩa đó tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef BallTM trên thềm đảo nổi xa bờ” làm đề tài nghiên cứu của mình. 2. Mục đích nghiên cứu Với mục đích của luận án là nghiên cứu sự truyền và giảm sóng qua kết cấu ngầm Reef BallTM đặt trên thềm đảo nổi, các mục tiêu cụ thể gồm: - Làm rõ bản chất của các tham số chi phối tới hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef BallTM trên thềm đảo nổi; 3
- Xác định phạm vi phù hợp để bố trí kết cấu ngầm trên thềm đảo nổi; - Xây dựng công thức thực nghiệm để xác định hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef BallTM trên thềm đảo nổi. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: sóng và quá trình truyền sóng qua kết cấu đê ngầm rỗng có cấu tạo từ các khối Reef BallTM trên thềm đảo nổi xa bờ. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi địa lý là các đảo nổi xa bờ có thềm nước nông, trong điều kiện sóng gió mùa, kết cấu ngầm có độ rỗng lớn. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở thu thập, tổng hợp các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước liên quan trực tiếp đến đảo nổi, thềm đảo nổi, kết cấu ngầm và hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm, tiếp cận kế thừa từ đó lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp. Các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án: Phương pháp nghiên cứu tổng quan: Trên cơ sở các tài liệu thu thập được, tổng hợp, phân tích, kế thừa những tài liệu đã có, để chọn lọc ra những nội dung có liên quan mật thiết đến vấn đề nghiên cứu. Tìm hiểu những vấn đề mà các tác giả đi trước đã làm cũng như khu trú lại, chỉ ra những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý: Thực hiện thí nghiệm trên mô hình vật lý máng sóng. Đo đạc, xử lý, phân tích kết quả thí nghiệm, đánh giá và xây dựng tương quan giữa các tham số chi phối đến hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm và thiết lập công thức thực nghiệm về hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm. Phương pháp chuyên gia: Trong quá trình nghiên cứu tham khảo và xin ý kiến của các chuyên gia, các đồng nghiệp có kinh nghiệm về biển đảo, về kỹ thuật xây dựng công trình Biển và về thí nghiệm mô hình vật lý. 4
Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: Vận dụng các vấn đề nghiên cứu cho một đảo nổi của Việt Nam. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1. Ý nghĩa khoa học Luận án có ý nghĩa khoa học trong việc cung cấp những hiểu biết về đảo nổi, quá trình lan truyền và giảm sóng qua kết cấu ngầm dạng rỗng đặt trên thềm đảo nổi. Kết quả nghiên cứu trong luận án cũng cho phép đánh giá định lượng sự truyền và giảm sóng qua kết cấu ngầm có độ rỗng khối lớn trên thềm đảo nổi san hô xa bờ, góp phần nâng cao độ tin cậy trong các nghiên cứu về biển đảo. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn và khi ứng dụng cho bài toán thực tế có thể cho phép dự tính hệ số truyền sóng và hiệu quả giảm sóng của công trình; áp dụng để nghiên cứu tính toán các tham số thiết kế của công trình như bề rộng, độ ngập đỉnh; làm cơ sở cho thiết kế, xây dựng các giải pháp nhằm giảm sóng, gây bồi, tạo bãi và khôi phục lại hệ sinh thái trên các đảo nổi san hô xa bờ. Nghiên cứu này cũng có thể ứng dụng đối với các đảo chìm nơi có điều kiện khảo sát, đo đạc rất khó khăn. 6. Cấu trúc luận án. Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, toàn bộ nội dung, kết quả nghiên cứu được trình bày trong 4 chương cụ thể là: Chương 1. Tổng quan về đảo nổi xa bờ, kết cấu ngầm Reef BallTM và hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Chương 2. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef BallTM trên thềm đảo nổi xa bờ Chương 3. Hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef BallTM trên thềm đảo nổi xa bờ Chương 4. Nghiên cứu giải pháp bố trí không gian kết cấu ngầm cho đảo nổi xa bờ 5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẢO NỔI XA BỜ, KẾT CẤU NGẦM REEF BALLTM VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU NGẦM 1.1. Đảo nổi xa bờ 1.1.1 Khái niệm về đảo nổi xa bờ Các nhà khoa học chia các rạn san hô biển ra làm ba loại cơ bản là: rạn viền bờ (fringing reef), rạn chắn bờ (barrier reef) và rạn xa bờ (rạn vòng atoll) [1] (Hình 1.1). Theo cách phân loại này, đối tượng nghiên cứu trong luận án là đảo nổi xa bờ, về bản chất là rạn san hô xa bờ mà có một phần diện tích luôn nổi cao trên mặt nước kể cả khi thủy triều cao nhất. Hình 1.1 Các rạn san hô biển [1] Theo thống kê trên thế giới hiện nay có khoảng 400 rạn san hô xa bờ. Các rạn phân bố chủ yếu ở các vùng biển nhiệt đới thuộc Ấn Độ Dương và Thái Bình Dương, các vùng khác có số lượng nhỏ [1]. Các rạn xa bờ có hình dạng, kích thước cũng như độ sâu khác nhau; chúng không tồn tại đơn lẻ, mà thường tập hợp thành nhóm, dãy hoặc quần đảo, ví dụ nhóm các đảo ở Maldives thuộc Ấn Độ Dương, nhóm các đảo Marshalls thuộc tây Thái Bình Dương, quần đảo Seychelles ở Ấn Độ Dương, quần đảo Trường Sa và Hoàng Sa trên biển Đông của Việt Nam [2]. Trên biển Đông hiện có trên 250 cấu trúc địa lý, bao gồm các quần đảo, các bãi cạn và bãi ngầm. Trong đó, quần đảo Trường Sa (QĐTS) thuộc huyện Trường Sa, tỉnh Khánh Hòa là một phần lãnh thổ thiêng liêng của tổ quốc. Nằm cách bờ biển Việt Nam khoảng 250 hải lý về phía Đông Nam, QĐTS có khoảng 100 đảo, cồn, đụn, đá được đặt tên, trải rộng trong một vùng biển có diện tích khoảng 180 000 km2. Hiện nay, QĐTS bao gồm 6
21 điểm đảo với 09 đảo nổi và 12 đảo chìm. Đặc điểm địa hình, chế độ thủy hải văn điển hình của đảo nổi liên quan tới quá trình truyền và giảm sóng trên các đảo nổi xa bờ như trình bày dưới đây: 1.1.2 Cấu tạo địa hình của đảo nổi Các dãy núi ngầm ở mức độ sâu cột nước lớn hàng nghìn mét chính là nền móng cho các rạn san hô xa bờ phát triển. Trên nền các rạn san hô này, bề mặt đỉnh của chúng tạo nên các đảo nổi hoặc các bãi ngầm ở nhiều mức độ sâu khác nhau [3]. Ở QĐTS nước ta, đa số các đảo có dạng kéo dài hình ôvan với hướng trục dài phổ biến là Đông Bắc - Tây Nam, do ảnh hưởng của hai mùa gió chính là gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam trên biển Đông. Tuy nhiên, hình dáng, kích thước và cao độ bề mặt của các đảo luôn thay đổi do chịu tác động của sóng, gió, thủy triều gây ra,.. một số đảo lại có trục dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam [4]. Địa hình đảo nổi hoàn toàn khác biệt so với các dạng bờ biển thông thường (Hình 1.2): Vách dốc đứng Biển sâu Thềm đảo Lõi đảo Hình 1.2 Địa hình đặc trưng của đảo nổi (nguồn google earth) a. Lõi đảo (reef core) có diện tích nhỏ, khoảng vài chục hecta trở xuống. Về mặt địa hình, bề mặt lõi đảo nổi nhìn chung địa hình khá bằng phẳng và nghiêng thoải từ tâm ra 7